JP4216075B2 - Fractional N-Frequency Synthesizer using Fractional Compensation Method (Fractional-NFREQUENCYSYNTHESIZER) - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の装置および方法は、基準周波数のフラクショナル分解能(fractional resolution of a reference frequency)を必要とするシステム、特に、現代的な無線または有線通信システムで使用されるサンプル&ホールド型の(sample and hold type)フラクショナルNシンセサイザをはじめとするPLLベースの周波数シンセサイザ(PLL−based frequency synthesizer)に関係するシステムに使用することができる。 The apparatus and method of the present invention is a sample and hold type used in systems that require fractional resolution of a reference frequency, particularly in modern wireless or wired communication systems. type) It can be used for systems related to PLL-based frequency synthesizers, including fractional N synthesizers.
周波数シンセサイザは、通常、受信機と送信機の両方において目的の出力を得るために現代的無線通信システムで使用される。さまざまな位相ロックループ(PLL)ベースの周波数シンセサイザがあるが、その中でも、フラクショナルN周波数シンセサイザは、チャネル間隔が小さい通信システムに適している。フラクショナルNアーキテクチャでは、基準周波数FREFの分数部分である周波数分解能(frequency resolution)を可能とし、Fを基準周波数に関するデバイスのフラクショナル分解能として、出力周波数信号FOUTと基準周波数FREFの関係は、関係式FOUT=FREF(N+K/F)により定められる。フラクショナルNアーキテクチャの手法では、整数ではなく分数である分周器を生成する必要がある。これは、ループ内の分周器を値NとN+1との間で動的に変化させることにより実行される。F個のサイクルからN+1による除算をK回実行し、Nによる除算をF−K回実行すると、平均除算比はN+K/Fとなる。 Frequency synthesizers are typically used in modern wireless communication systems to obtain the desired output at both the receiver and transmitter. There are various phase lock loop (PLL) based frequency synthesizers, among which the fractional N frequency synthesizer is suitable for communication systems with small channel spacing. The fractional-N architecture enables a frequency resolution that is a fractional part of the reference frequency F REF , where F is the fractional resolution of the device with respect to the reference frequency, and the relationship between the output frequency signal F OUT and the reference frequency F REF is It is defined by the formula F OUT = F REF (N + K / F). In the fractional N architecture approach, it is necessary to generate a frequency divider that is a fraction rather than an integer. This is done by dynamically changing the divider in the loop between the values N and N + 1. If the division by N + 1 is executed K times from the F cycles and the division by N is executed F−K times, the average division ratio becomes N + K / F.
フラクショナルNアーキテクチャの利点は、基準周波数FREFがチャネル間隔の制約を受けず、ループ帯域幅を増大することができるという点である。したがって、位相雑音が低減され、ロック時間が短縮する。しかし、少数の切り換えにより、構成された出力周波数信号FOUT内にスプリアス信号が発生する。これらのサブハーモニックスプリアス(subharmonic spurs)は、フラクショナルスプリアス(fractional spurs)とも呼ばれ、何らかの最大許容可能限界値以下に保持しなければならない。 The advantage of the fractional N architecture is that the reference frequency F REF is not constrained by channel spacing and can increase the loop bandwidth. Therefore, the phase noise is reduced and the lock time is shortened. However, with a small number of switches, spurious signals are generated in the configured output frequency signal F OUT . These subharmonic spurs, also called fractional spurs, must be kept below some maximum allowable limit.
関連技術によるフラクショナル補償回路により、不要なスプリアス信号の低減を試みる。適切なフラクショナル補償(fractional compensation)に対して、補償パルス(compensation pulse)の面積は主チャージポンプのフラクショナルNリップル(main charge pump fractional−N ripple)の面積に等しくなければならない。しかし、ある関連技術によるフラクショナル補償回路では、補償電流の大きさは静的に固定されている。したがって、スプリアス信号のキャンセルは時間、プロセス、および温度によるスプリアス信号の動的な変化に追随することができない。 We try to reduce unnecessary spurious signals by using fractional compensation circuits based on related technology. For proper fractional compensation, the area of the compensation pulse must be equal to the area of the main charge pump fractional N ripple (main charge pump fractional-N ripple). However, in a related art fractional compensation circuit, the magnitude of the compensation current is statically fixed. Therefore, cancellation of spurious signals cannot follow dynamic changes in spurious signals due to time, process, and temperature.
通常、フラクショナルN合成器と呼ばれる、他の関連技術によるフラクショナル補償回路では、シグマ−デルタ(ΣΔ)変調器を使用することにより、分周比を制御する。モジュラス除算器(modulus divider)が、ΣΔ変調器から出力信号を受信する。フラクショナルスプリアス周波数または位相雑音は、シグマ−デルタ変調器の動作により周波数スペクトル全体にわたって分配される。しかし、絶対雑音レベルは、許容レベルを超えることがある。スペクトル純度を低下させない、より堅牢で信頼性の高いフラクショナル補償方式が必要である。 In a fractional compensation circuit according to another related technique, usually called a fractional-N synthesizer, a division ratio is controlled by using a sigma-delta (ΣΔ) modulator. A modulus divider receives the output signal from the ΣΔ modulator. Fractional spurious frequency or phase noise is distributed over the entire frequency spectrum by the operation of the sigma-delta modulator. However, the absolute noise level may exceed an acceptable level. There is a need for a more robust and reliable fractional compensation scheme that does not degrade spectral purity.
現代の無線通信システムで使用される周波数シンセサイザでは、位相ロックループ(PLL)を使用するのがふつうである。PLLは、通常、電圧制御発振器(VCO)、位相検出器(PD)、およびループフィルタ(LF)を備える。PLLを単一の集積回路に組み込む場合、ループフィルタ(LF)内に必要な容量は多くの場合、ほぼ数マイクロファラッドであるため、PLLの安定化に使用される大きなLFキャパシタが回路チップ面積の大半を占有する。最近の無線システムでは受信機および送信機(PLLを含む)全体の単一チップへの集積化を試みているので、LFキャパシタの必要容量が重要な問題である。 In frequency synthesizers used in modern wireless communication systems, it is common to use a phase-locked loop (PLL). A PLL typically includes a voltage controlled oscillator (VCO), a phase detector (PD), and a loop filter (LF). When integrating a PLL into a single integrated circuit, the required capacitance in the loop filter (LF) is often only a few microfarads, so a large LF capacitor used to stabilize the PLL is the majority of the circuit chip area. Occupy. Since recent wireless systems attempt to integrate the entire receiver and transmitter (including PLL) on a single chip, the required capacity of the LF capacitor is an important issue.
LF容量を低減する1つの関連技術によるアプローチでは、サンプル&ホールド回路を位相検出器または比較器として使用する。サンプル&ホールド回路内のキャパシタは、通常のループフィルタ内の容量に比べてかなり小さい。サンプル&ホールド位相検出器の利点としては他に、出力に入力周波数の高周波高調波が含まれないという点があげられる。位相が一定の場合、出力電圧も一定である。したがって、サンプル&ホールドPDは、周波数シンセサイザに適用可能である。 One related art approach to reducing LF capacitance uses a sample and hold circuit as a phase detector or comparator. The capacitor in the sample and hold circuit is considerably smaller than the capacitance in a normal loop filter. Another advantage of the sample and hold phase detector is that the output does not contain high frequency harmonics of the input frequency. When the phase is constant, the output voltage is also constant. Therefore, the sample and hold PD can be applied to a frequency synthesizer.
大容量のLFキャパシタを必要としないサンプル&ホールド大型PLL周波数シンセサイザを開示している。(例えば、特許文献1参照)特許文献1のサンプル&ホールドPLL周波数シンセサイザでは、整数Nアーキテクチャを使用して、基準周波数の整数倍数である出力周波数を発生する。しかし、整数Nアーキテクチャでは、入力基準周波数がチャネル間隔に等しくなければならないため、ループ帯域幅は制限される。したがって、発振器の位相雑音はループの帯域幅内でのみ低減されるので、至近距離の位相雑音も制限される。整数Nアーキテクチャの欠点は、PLLのロック時間はループ帯域幅にも依存するためロック時間が長いことである。
A sample and hold large PLL frequency synthesizer is disclosed that does not require a large LF capacitor. (See, for example, Patent Document 1) The sample and hold PLL frequency synthesizer of
ループ帯域幅を広げるために、フラクショナルNアーキテクチャが周波数シンセサイザに使用されてきた。図1は、サンプル&ホールド回路を使用する関連技術の周波数シンセサイザを示している。図1に示されているように、基準周波数分周器104は、入力基準周波数102を分周し、分周された基準信号106を出力する。位相検出器(PD)110は、分周された基準信号106および整数分周器128の出力108を受信し、その比較に応答する出力信号112を発生する。サンプル&ホールド回路114は、PD110の出力112を受信する。電圧制御発振器118は、サンプル&ホールド回路114の出力116を受信する。電圧制御発振器118の出力120は、周波数合成器回路の出力信号FOUTであり、さらに整数分周器128に入力される。
To increase the loop bandwidth, a fractional N architecture has been used for frequency synthesizers. FIG. 1 shows a related art frequency synthesizer that uses a sample and hold circuit. As shown in FIG. 1, the
動作中、VCO出力信号120は、整数分周器128においてNで除算され、基準分周器104からの分周された基準信号106と比較される。位相検出器PDおよびサンプル&ホールド回路130は、検出された位相差に依存する制御信号を発生する。制御信号は、電圧制御発振器(VCO)に印加され、出力周波数FOUTを発生する。
In operation, the
図2aは、関連技術の位相検出器およびサンプル&ホールド回路130の図である。図2aに示されているように、チャージポンプ206は位相検出器202の出力204を受け取る。チャージポンプ206の出力214は、第1のノードn1のところでノードサンプル&ホールド回路114に入る。サンプル&ホールド回路114では、基準電圧VREF 210は第1のスイッチ212を通じて第1のノードn1に接続されている。サンプルキャパシタ220は、グラウンド基準電圧222と第1のノードn1との間に接続される。第2のスイッチ224は、第1のノードn1と出力端子に234に接続されている第2のノードn2との間に接続される。ホールドキャパシタ230は、グラウンド基準電圧と第2のノードn2との間に接続されている。サンプルキャパシタ220およびホールドキャパシタ230の容量は、通常のループフィルタの容量よりはるかに小さい。位相検出器202で位相比較が実行される前に、スイッチSW1が閉じられ、サンプルキャパシタが基準電圧VREFまで充電される。位相検出器202の後のチャージポンプ206は、位相比較の結果の検出された位相差に応じて基準電圧VREFからサンプルキャパシタ220の電圧を増減する。位相比較が完了すると、サンプルキャパシタ220内の電荷が第2のスイッチSW2を介してホールドキャパシタに230に移動される。
FIG. 2 a is a diagram of a related art phase detector and sample and
図2bは、関連技術のサンプル&ホールド型整数N周波数シンセサイザのロック状態のタイミング図である。図2bに示されているように、位相が通常のループフィルタ型PLL内で揃ったときに、基準周波数信号と分周器出力(つまり、分周されたVCO出力)との間に関係が存在し、一定の位相差Tとなる。したがって、サンプル&ホールド型PLLは、入力基準信号とVCO出力との間で位相が揃っていなければならない場合にクロックまたはデータリカバリとして応用するのに適当でない。位相検出器出力およびサンプルキャパシタの電圧も図2bに示されている。しかし、整数N周波数シンセサイザでは、位相整合は必要条件ではなく、サンプル&ホールド型PLLは、位相雑音特性が満たされている限り適用可能である。図2bに示されているように、基準周波数信号の位相は分周器出力の位相よりも時間Tだけ進んでおり、位相検出器は位相比較毎にUP(HIGH)信号を発生し、サンプルキャパシタ(Vsample)の電圧を基準電圧(Vref)から一定の割合で上げる。したがって、ホールドキャパシタ(Vhold)の電圧および電圧制御発振器の出力周波数は一定に保たれる。 FIG. 2b is a timing diagram of the lock state of the related art sample-and-hold integer N frequency synthesizer. As shown in FIG. 2b, there is a relationship between the reference frequency signal and the divider output (ie, the divided VCO output) when the phases are aligned in a normal loop filter type PLL. Therefore, the phase difference T is constant. Therefore, the sample-and-hold type PLL is not suitable for application as a clock or data recovery when the phase must be aligned between the input reference signal and the VCO output. The phase detector output and sample capacitor voltage are also shown in FIG. 2b. However, in the integer N frequency synthesizer, phase matching is not a necessary condition, and the sample-and-hold type PLL can be applied as long as the phase noise characteristics are satisfied. As shown in FIG. 2b, the phase of the reference frequency signal is advanced by a time T from the phase of the divider output, and the phase detector generates a UP (HIGH) signal for each phase comparison, and the sample capacitor The voltage of (Vsample) is increased from the reference voltage (V ref ) at a constant rate. Therefore, the voltage of the hold capacitor (Vhold) and the output frequency of the voltage controlled oscillator are kept constant.
しかし、前述のように、整数N周波数シンセサイザは、ループ帯域幅がフラクショナルN周波数シンセサイザに比べて狭い。ループ帯域幅をチャネル間隔よりも高くするために、フラクショナルN合成器は、アキュムレータによって制御される、可変モジュラスプログラマブル分周器(variable modulus programmable divider)を備える。アキュムレータは、可変モジュラスプログラマブル分周器の分周比を変化させ、目的のフラクショナル分解能比(fractional division ratio)を生成する。したがって、フラクショナルN周波数シンセサイザ内のVCOの制御電圧は一定ではないが、制御電圧の時間平均値には意味がある。したがって、関連技術によるフラクショナルNアーキテクチャでは、ループフィルタを置き換えるのにサンプル&ホールド回路を使用することができない。 However, as described above, the integer N frequency synthesizer has a narrower loop bandwidth than the fractional N frequency synthesizer. In order to make the loop bandwidth higher than the channel spacing, the fractional-N synthesizer includes a variable modulus programmable divider that is controlled by an accumulator. The accumulator changes the frequency division ratio of the variable modulus programmable frequency divider to generate a desired fractional resolution ratio. Therefore, the control voltage of the VCO in the fractional N frequency synthesizer is not constant, but the time average value of the control voltage is meaningful. Therefore, in the related art fractional-N architecture, the sample and hold circuit cannot be used to replace the loop filter.
図2cは、関連技術のフラクショナルNシンセサイザ内のサンプル&ホールド回路の問題点および欠点を示しているタイミング図である。図2cに示されているように、基準周波数および分周器出力は、図2bの位相検出器出力に示されているように一定の揃った位相差を持たない、位相検出器出力、サンプル&ホールド回路の出力電圧、および分数アキュムレータの状態も示されている。図2cでは、フラクショナル比は、Nを除数として、3/8(K=3 N=8)と仮定されている。フラクショナルアキュムレータ(fractional accumulator)の状態は、フラクショナル比に応じて変わる。したがって、基準周波数信号および位相検出器のUPパルスの幅に関する分周器出力の位相も変化する。サンプルキャパシタ(Vsample)の電圧変化量は、固定されておらず、ホールドキャパシタ(Vhold)の電圧は、合成された周波数のスペクトル純度を低下させる分数リップルを示す。 FIG. 2c is a timing diagram illustrating the problems and disadvantages of the sample and hold circuit in the related art fractional N synthesizer. As shown in FIG. 2c, the reference frequency and the divider output have a phase detector output, sample & no constant phase difference as shown in the phase detector output of FIG. 2b. The output voltage of the hold circuit and the state of the fractional accumulator are also shown. In FIG. 2c, the fractional ratio is assumed to be 3/8 (K = 3 N = 8), where N is the divisor. The state of the fractional accumulator changes according to the fractional ratio. Accordingly, the phase of the frequency divider output with respect to the width of the reference frequency signal and the UP pulse of the phase detector also changes. The voltage change amount of the sample capacitor (Vsample) is not fixed, and the voltage of the hold capacitor (Vhold) exhibits a fractional ripple that lowers the spectral purity of the synthesized frequency.
上記の参照は、追加または他の詳細、特徴、および/または技術的背景の適切な教示に関して適切な限り本明細書に参照により組み込まれる。 The above references are incorporated herein by reference as far as appropriate with respect to additional or other details, features, and / or appropriate teachings of the technical background.
本発明の目的は、少なくとも上記の問題点および/または欠点を解決し、少なくともこれ以降説明している利点を提示することである。 The object of the present invention is to solve at least the above-mentioned problems and / or drawbacks and to present at least the advantages described below.
本発明の他の目的は、位相ロックループベースのフラクショナルNシンセサイザを提示することである。 Another object of the present invention is to present a phase-locked loop based fractional N synthesizer.
本発明の他の目的は、2つの位相検出器を組み込んだフラクショナル補償回路および方法を提示することである。 Another object of the present invention is to provide a fractional compensation circuit and method incorporating two phase detectors.
本発明の他の目的は、チャージポンプが動作しているときに必ず、フラクショナルスプリアスまたはチャージポンプリップルを動的に補正するフラクショナルスプリアス補償回路を組み込むことである。 Another object of the present invention is to incorporate a fractional spurious compensation circuit that dynamically corrects for fractional spurs or charge pump ripple whenever the charge pump is operating.
本発明の他の目的は、複数の位相検出器を使用してスプリアス信号を動的にキャンセルする位相ロックループベースのフラクショナルNシンセサイザおよび方法を提示することである。 It is another object of the present invention to provide a phase locked loop based fractional N synthesizer and method that uses multiple phase detectors to dynamically cancel spurious signals.
本発明の他の目的は、複数の位相検出器の少なくとも1つの出力に対しさまざまな長さの遅延を生じさせ、フラクショナルスプリアスを低減する位相ロックループベースのフラクショナルNシンセサイザを提示することである。 Another object of the present invention is to provide a phase-locked loop-based fractional N synthesizer that causes various lengths of delay for at least one output of a plurality of phase detectors to reduce fractional spurs.
本発明の他の目的は、N個のチャージポンプからなるチャージポンプ段を使用し、位相比較時に動作するチャージポンプの個数Nがフラクショナルアキュムレータ段によって決定されるようなフラクショナル補償回路を提示することである。 Another object of the present invention is to provide a fractional compensation circuit that uses a charge pump stage consisting of N charge pumps and in which the number N of charge pumps operating during phase comparison is determined by the fractional accumulator stage. is there.
本発明の他の目的は、ループフィルタ内にサンプル&ホールド回路を組み込むフラクショナル補償回路および方法を提示することである。 Another object of the present invention is to provide a fractional compensation circuit and method that incorporates a sample and hold circuit within a loop filter.
本発明の他の目的は、複数の位相検出器を使用してスプリアス信号を動的にキャンセルし、サンプル&ホールド回路を使用する位相ロックループベースのフラクショナルNシンセサイザおよび方法を提示することである。 Another object of the present invention is to provide a phase locked loop based fractional N synthesizer and method that dynamically cancels spurious signals using multiple phase detectors and uses a sample and hold circuit.
本発明の他の目的は、ループフィルタ内でサンプル&ホールド回路に結合されているN個のチャージポンプからなるチャージポンプ段を使用し、位相比較時に動作するチャージポンプの個数Nがフラクショナルアキュムレータ段によって決定されるようなフラクショナル補償回路を提示することである。 Another object of the present invention is to use a charge pump stage consisting of N charge pumps coupled to a sample and hold circuit in a loop filter, where the number N of charge pumps operating during phase comparison depends on the fractional accumulator stage. It is to present a fractional compensation circuit as determined.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の利点は、基準周波数がチャネル間隔の制約を受けず、ループ帯域幅を増大することができるという点である。 An advantage of the fractional-N architecture and method according to the present invention is that the reference frequency is not subject to channel spacing constraints and the loop bandwidth can be increased.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の他の利点は、サブハーモニックスプリアスまたはフラクショナルスプリアスを低く抑えられるという点である。 Another advantage of the fractional-N architecture and method according to the present invention is that sub-harmonic spurs or fractional spurs can be kept low.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の他の利点は、スプリアス信号キャンセルを動的に実行できるという点である。 Another advantage of the fractional-N architecture and method according to the present invention is that spurious signal cancellation can be performed dynamically.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の他の利点は、補償電流のトリミングが必要なくなるという点である。 Another advantage of the fractional N architecture and method according to the present invention is that compensation current trimming is not required.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の他の利点は、環境の変化に左右されにくいという点である。 Another advantage of the fractional-N architecture and method according to the present invention is that it is less sensitive to environmental changes.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の他の利点は、回路サイズを小さくできるという点である。 Another advantage of the fractional-N architecture and method according to the present invention is that the circuit size can be reduced.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の他の利点は、大きなループフィルタキャパシタが必要なくなるという点である。 Another advantage of the fractional-N architecture and method according to the present invention is that large loop filter capacitors are not required.
本発明によるフラクショナルNアーキテクチャおよび方法の利点は、サンプル&ホールド回路をPLL内に実装し安定した電圧を供給できるという点である。 An advantage of the fractional N architecture and method according to the present invention is that a sample and hold circuit can be implemented in the PLL to provide a stable voltage.
上記の目的の全部または一部を本発明の目的に従って実施形態に示されまた広範に説明されているように達成するために、位相ロックループは、入力信号および第1の分周された信号を受け取り第1の比較信号を出力する第1の位相検出器、入力信号および第2の分周された信号を受け取り第2の比較信号を出力する第2の位相検出器、第1および第2の比較信号を受け取りその比較信号に対する応答である出力信号を発生する回路、その回路から出力信号を受け取り所定の周波数の信号を発生する電圧制御発振器、所定の周波数の信号を受け取り所定の位相関係を持つ第1および第2の分周された信号を発生するプログラマブルモジュラス分周器を備える。 In order to achieve all or part of the above objectives as shown and broadly described in the embodiments in accordance with the objectives of the present invention, the phase-locked loop comprises an input signal and a first divided signal. A first phase detector for receiving and outputting a first comparison signal; a second phase detector for receiving an input signal and a second divided signal and outputting a second comparison signal; A circuit that receives a comparison signal and generates an output signal that is a response to the comparison signal, a voltage-controlled oscillator that receives an output signal from the circuit and generates a signal of a predetermined frequency, and receives a signal of a predetermined frequency and has a predetermined phase relationship A programmable modulus divider is provided for generating first and second divided signals.
さらに上記の目的の全部または一部を本発明の目的に従って実施形態に示され、また広範に説明されているように達成するために、携帯端末用のフラクショナルN周波数シンセサイザは、基準信号を受信するように結合された第1の入力ポート、第2の入力ポート、第3の入力ポート、および出力ポートを備える第1の位相検出器、および基準信号を受信するように結合された第1の入力ポート、第2の入力ポート、第3の入力ポート、および出力ポートを備える第2の位相検出器、第1および第2の位相検出器の出力ポートに結合されている第1の入力ポートおよび出力ポートを備える回路、前記回路の出力ポートに結合されている入力ポートを備え、出力ポートから所定の周波数の信号を送信する電圧制御発振器、第1の分周された信号を送信するために第1の位相検出器の第2の入力ポートに結合されている第1の出力ポート、第2の分周された信号を送信するために第2の位相検出器の第2の入力ポートに結合されている第2の出力ポート、電圧制御発振器の出力ポートに結合されている第1の入力ポート、および第2の入力ポートを備えるプログラマブルモジュラス分周器、およびプログラマブルモジュラス分周器の第2の入力ポートに結合されている第1の出力ポートおよび位相検出器の第3の入力ポートに結合されている第2の出力ポートを備えるアキュムレータを備える。 In addition, in order to achieve all or part of the above objectives as shown and broadly described in the embodiments in accordance with the objectives of the present invention, a fractional N frequency synthesizer for a mobile terminal receives a reference signal. A first phase detector comprising a first input port, a second input port, a third input port, and an output port coupled together, and a first input coupled to receive a reference signal A second phase detector comprising a port, a second input port, a third input port, and an output port, a first input port and an output coupled to the output ports of the first and second phase detectors A circuit comprising a port, an input port coupled to an output port of the circuit, a voltage controlled oscillator for transmitting a signal of a predetermined frequency from the output port, a first divided signal A first output port coupled to the second input port of the first phase detector for transmitting, a second of the second phase detector for transmitting the second divided signal Programmable modulus divider comprising a second output port coupled to the input port, a first input port coupled to the output port of the voltage controlled oscillator, and a second input port, and a programmable modulus divider And an accumulator comprising a second output port coupled to the third input port of the phase detector and a first output port coupled to the second input port of the phase detector.
本発明の他の利点、目的、および特徴は、一部については以下の説明で述べるが、一部は当業者にとっては、以下の説明を調べた後では明白なことであろうし、また本発明を実施することにより学ぶこともできる。本発明の目的および利点は、添付の請求項で特に指摘されているように、理解され、また実現できるであろう。 Other advantages, objects, and features of the present invention will be set forth in part in the description which follows, and in part will be apparent to those skilled in the art after reviewing the description and in accordance with the invention. You can also learn by implementing The objects and advantages of the invention will be realized and realized as particularly pointed out in the appended claims.
本発明については、図を参照しながら詳細に説明するが、類似の参照番号は類似の要素を指す。 The present invention will be described in detail with reference to the figures, wherein like reference numerals refer to like elements.
図3は、本発明によるフラクショナル補償回路の好ましい実施形態を示す概略図である。図3に示されているように、周波数シンセサイザ300は、位相検出器回路342を備える位相ロックループ(PLL)、ループフィルタ328、電圧制御発振器(VCO)330、およびアキュムレータ340に結合されているプログラマブルモジュラス分周器336を備える。周波数シンセサイザ300では、基準周波数302が基準周波数分周器304に供給される。基準周波数分周器304の出力は、2つの位相検出器フィード306および308に分岐される。2つの位相検出器フィード306および308は、それぞれ、位相検出器回路342の位相検出器314および324に入力される。位相検出器314および324の出力316および322は、ループフィルタ(LF)328の入力320に結合される。ループフィルタ328の出力329は、電圧制御発振器(VCO)330に供給される。位相検出器回路342は、好ましくは2つのチャージポンプブロック(図に示されていない)を備える2つの位相検出器314および324を内蔵する。「チャージポンプ」、「チャージポンプブロック」、および「CP」という用語は、同じ種類の回路を意味しており、本明細書では入れ替えて使用することができる。複数のチャージポンプが参照される場合、CP1およびCP2が使用されるときもある。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a preferred embodiment of a fractional compensation circuit according to the present invention. As shown in FIG. 3, the
プログラマブルモジュラス分周器336では、VCO330の出力周波数信号FOUT332を、アキュムレータ340からの制御信号338に応じて、それぞれ、NとN+1を入れ替えて、分周する。モジュラスプログラマブル分周器からの2つの分周された値VCO信号FDIV1およびFDIV2のそれぞれが、それぞれ位相検出器314および324の第2の入力310および312として使用される。モジュラスプログラマブル分周器336により出力された2つの分周されたVCO信号FDIV1およびFDIV2 310および312は、VCOの周期(1/FOUT)である周波数および位相差と同じである可能性がある。N個の等しいチャージポンプ(図に示されていない)は、それぞれ位相検出器314および324に結合するのが好ましい。アキュムレータ340は、入力基準周波数(FREF)と分周されたVCOクロック(FDIV1、FDIV2)の間の位相検出器314と324の位相比較の実行前に使用可能にすべきチャージポンプの個数を制御する。したがって、アキュムレータ340の出力により、それぞれ位相検出器314および324への信号318および326が有効になる。
The
図4は、プログラマブルモジュラス分周器400の好ましい実施形態を示す図であり、例えば、入力信号をN+1またはNで分周し、2つの分周されたVCO出力FDIV1およびFDIV2、416および422を出力する。プログラマブルモジュラス分周器400は、図3のプログラマブルモジュラス分周器336として使用することができる。プログラマブルモジュラス分周器400は、3個のフリップフロップ412、420、434と、2個のロジックゲート402、428を備えることができる。3個のフリップフロップ412、420、および434は同一の出力信号436をクロック信号とするのが好ましいため、またこれは、出力周波数信号FOUT 336であるのが好ましいので、FDIV1とFDIV2、416および422の位相差は、VCO周波数の周期である(TVCO=1/FOUT)。
FIG. 4 is a diagram illustrating a preferred embodiment of a
図4に示されているように、第1の「OR」ゲート402は第3のフリップフロップ434から入力404を受け取り、また第2のフリップフロップ420から入力406を受け取る。第1のフリップフロップ412は、FOUT信号436に従って第1の「OR」ゲート 402の出力408を受け取って処理する。第2のフリップフロップ420は、FOUT信号436に従って第1のフリップフロップ412の出力414を受け取って処理する。第2のフリップフロップ420からの入力406に加えて、第2の「OR」ゲート428はモジュラス制御信号を入力426として受け取る。第3のフリップフロップ434は、FOUT信号436に従って第2の「OR」ゲート428の出力430を受け取って処理する。第1および第2のフリップフロップ412、420の出力信号414および406は、プログラマブルモジュラス分周器400からの分周されたVCO信号DFDIV1 416およびFDIV2 422であるのが好ましい。
As shown in FIG. 4, the first “OR”
図5は、位相検出器およびチャージポンプ回路500の他の好ましい実施形態を示す図である。図5に示されているように、例えば、位相検出器およびチャージポンプ回路500を図3に示されている位相検出器回路342内の位相検出器314、324のうちの1つとして使用することができる。それぞれのチャージポンプからLF(図に示されていない)に供給される充電または放電電流は、Iを代表的なフラクショナルN周波数シンセサイザの電流とすると、I/Nによって決定されるのが好ましい。イネーブル信号(EN)515は、フラクショナルアキュムレータの状態に従ってアキュムレータ340などの対応するアキュムレータ(図に示されていない)により生成され、チャージポンプ534の有効/無効が制御される。図5に示されているように、アキュムレータからイネーブル信号を受信する位相検出器506に結合されているN個のチャージポンプ534があるのが好ましい。
FIG. 5 is a diagram illustrating another preferred embodiment of a phase detector and
図5に示されているように、位相検出器506は、分周された基準信号としてのFREF入力502とFDIV入力504を比較して、比較に対する応答としてそれぞれチャージポンプ回路534が受け取る2つの出力508および510を発生する。チャージポンプ534の第1の「AND」ゲート518は、「UP」信号512および「EN」信号515を受け取る。第2の「AND」ゲート520は、「DN」信号514および「EN」信号515を受け取る。出力信号508は「UP」信号512、出力信号510は「DN」信号514であるのが好ましい。第1のスイッチ526および第1の電流源522は、電源電圧と出力端子530との間に直列に結合されている。第1のスイッチ526の状態(例えば、開または閉)は、対応する位相検出器内の比較結果に対する第1の「AND」ゲート518からの出力信号540とイネーブル信号ENとによって制御される。第2のスイッチ528および第2の電流源524は、出力端子530とグラウンド基準電圧との間に直列に結合されている。第2のスイッチ528の状態は、第2の「AND」ゲート520からの出力信号542により制御するのが好ましい。したがって、第1の電流源522および第2の電流源524は、チャージポンプ534の単一出力端子530に、選択により結合することができる。位相検出器とチャージポンプ回路500のN個のチャージポンプ534の出力532は、ループフィルタ(図に示されていない)に入る。N個のチャージポンプ534の出力端子530は、ループフィルタに出力532を供給するように結合されている。しかし、本発明はそのように制限されることを意図していない。
As shown in FIG. 5, the
チャージポンプブロックの制御タイミング関係は、図6で説明されており、分数は3/8(K=3、N=8)と想定されている。したがって、モジュラス分周器は、8(N)で5回分周し、8サイクルのうちから9(N+1)で3回分周する。図6に示されているタイミング関係図は、図3のそれぞれの位相検出器314、324と関連するチャージポンプブロックに使用することができる。したがって、例えば、位相検出器回路342は、2(N=8)または16個のチャージポンプ段534を備えることもできる。
The control timing relationship of the charge pump block is illustrated in FIG. 6, and the fraction is assumed to be 3/8 (K = 3, N = 8). Therefore, the modulus divider divides 5 times by 8 (N) and 3 times by 9 (N + 1) out of 8 cycles. The timing relationship diagram shown in FIG. 6 can be used for the charge pump block associated with each
図6に示されている波形は、分周された基準周波数電圧602およびモジュラスプログラマブル分周器604および606の出力の電圧である(例えば、310、312)。CP1およびCP2(例えば、PD314およびPD324内の)有効にされているチャージポンプの個数は、608により示され、フラクショナルアキュムレータの状態は610により示されている。シンセサイザの分周器の状態は、612により示されている。図6に示されているように、位相比較時に有効にされるチャージポンプ(CP1およびCP2)の個数は、アキュムレータの状態610により決定される。有効にされているチャージポンプの総数は、常に、除数Nとして固定されている。
The waveforms shown in FIG. 6 are the divided
N個のチャージポンプを持つチャージブロックポンプを備える位相検出器回路の他の好ましい実施形態が図7に示されている。図7に示されているように、チャージポンプブロック700は、それぞれスイッチ726、728、730、...732への第1の入力列として使用される第1の位相検出器PD1の出力706を受け取る。第2の位相検出器PD2の出力708は、それぞれスイッチ726、728、730、...732への第2の入力列として使用される。スイッチ726、728、730、および732のそれぞれのスイッチ出力734、736、738、...740は、チャージポンプ742、744、746、...748への入力として使用される。好ましくはN個のチャージポンプ742、744、746、...748の出力750、752、754、...756は、ループフィルタ(図に示されていない)に接続される出力信号758に結合されている。チャージポンプブロック700で、アキュムレータが位相検出器PD1およびPDF2を図7に示されているようにチャージポンプ726、728、730、...732に接続する作業を制御するときに、チャージポンプの個数は、図5の総数2N個のチャージポンプと比較して、Nまで減らされる。
Another preferred embodiment of a phase detector circuit comprising a charge block pump with N charge pumps is shown in FIG. As shown in FIG. 7,
分周された基準周波数と分周されたVCO周波数と位相関係が、図8aおよびbに示されている。図8aは分周された基準信号の相対的位相の遅れを示し、図8bは分周された基準信号の相対的位相の進みを示す。例えば、図8aおよび8bは、分周された基準周波数306と図3の周波数シンセサイザ300の分周されたVCO周波数310、312との位相関係を示すことができる。図8aと8bに示されているように、この相対的電圧波形は、基準周波数802、Divider Output1 804、Divider Output2 806、PD1出力808、およびPD2出力810を含む。常に除数Nである有効にされているチャージポンプ812および816の個数とフラクショナルアキュムレータの状態814も、それらの波形に関して示されている。
The phase relationship between the divided reference frequency and the divided VCO frequency is shown in FIGS. 8a and 8b. FIG. 8a shows the relative phase lag of the divided reference signal and FIG. 8b shows the relative phase advance of the divided reference signal. For example, FIGS. 8a and 8b can show the phase relationship between the divided
図8aでは、分周された基準周波数FREF 802の位相の遅れに対する応答として、位相検出器の出力808と810の両方により、すべてのチャージポンプがループフィルタを放電し(例えば、「DOWN」信号を発生し)、VCO出力周波数を下げる。逆に、図8bでは、分周された基準周波数の位相の進みにより、位相検出器の出力808および810がすべてのチャージポンプを放電し(例えば、「UP」信号を発生し)、VCOはその出力周波数を上げる。ロック状態では、分周された基準周波数(FREF)の位相は、2つの分周されたVCO周波数FDIV1とFDIV2、804および806の間に置かれるが、これは、一方の位相検出器(PD1)が「DOWN」信号を発生し、他方(PD2)が「UP」信号を発生することを意味している。したがって、ロック状態では、PD1に接続されているチャージポンプはループフィルタを放電し、PD2に接続されているチャージポンプはループフィルタを充電し、好ましくはループフィルタ電圧を一定に保つ。
In FIG. 8a, as a response to the phase lag of the divided
図9は、本発明の好ましい実施形態によるフラクショナル補償を示すタイミング図である。例えば、図9は、分周された基準周波数306と図3の周波数シンセサイザ300の分周されたVCO周波数310、312との位相関係を示すことができる。図9では、図6について上述したように、この分数は3/8(K=3、N=8)であると想定されている。図9に示されているように、分周された基準周波数902の相対的電圧波形、Divider Output1 904、Divider Output2 906、PD1出力908、PD2出力910、および制御電圧918が示されている。わかりやすくするため、制御電圧918の振幅920、922、および924のセクションを図9に拡大して示した。有効にされているチャージポンプ912および916の個数とフラクショナルアキュムレータの状態914も、それらの波形に関して示されている。
FIG. 9 is a timing diagram illustrating fractional compensation according to a preferred embodiment of the present invention. For example, FIG. 9 may show the phase relationship between the divided
図9に示されているような周波数シンセサイザのロックされている状態では、PD1に接続されているチャージポンプ(CP1)は常にループフィルタから電流をシンクするが、PD2に接続されているチャージポンプ(CP2)は常にループフィルタに電流をソースする。CP1による放電電流の量は、以下の式で与えられ、 In the locked state of the frequency synthesizer as shown in FIG. 9, the charge pump (CP1) connected to PD1 always sinks current from the loop filter, but the charge pump connected to PD2 ( CP2) always sources current into the loop filter. The amount of discharge current due to CP1 is given by the following equation:
Qdischarge=Idischarge*Tdischarge={(N−K)*(I/N)}*{(K/N)*TVCO} (式1) Q discharge = I discharge * T discharge = {(N−K) * (I / N)} * {(K / N) * T VCO } (Formula 1)
Kはアキュムレータの状態を表す。式1と同様に、CP2による充電電流量は以下の式で与えられる。
K represents the state of the accumulator. Similar to
Qcharge=Icharge*Tcharge={K*(I/N)}*[{(N−K)/N}*TVCO] (式2) Q charge = I charge * T charge = {K * (I / N)} * [{(N−K) / N} * T VCO ] (Formula 2)
(式1)と(式2)から、QchargeとQdischargeは常に同じである。したがって、充電電流と放電電流は互いに補償しあい、ロック状態でループフィルタの出力電圧を一定に保つ。PLLのループ特性は位相関係を保持して、上記の式を満たすのが好ましく、ループフィルタ電圧は温度などの環境変化に左右されず一定に保たれるのが好ましい。したがって、フラクタルスプリアスは動的に補償される。さらに、補償電流トリミングは不要である。さらに、図9内の位相比較時のループフィルタ電圧の摂動が小さいことから、制御電圧の平均レベルを変化させず、またVCO周波数の周期の非常に短い時間に発生するためフラクタルスプリアスおよび位相雑音が関連技術によるフラクタルNアーキテクチャに比べて無視できるくらい小さいことがわかる。 From (Equation 1) and (Equation 2), Q charge and Q discharge are always the same. Therefore, the charging current and the discharging current compensate each other, and the output voltage of the loop filter is kept constant in the locked state. It is preferable that the PLL loop characteristics maintain the phase relationship and satisfy the above formula, and the loop filter voltage is preferably kept constant regardless of environmental changes such as temperature. Thus, fractal spurs are dynamically compensated. Furthermore, compensation current trimming is not required. Furthermore, since the perturbation of the loop filter voltage at the time of phase comparison in FIG. 9 is small, the average level of the control voltage is not changed, and it occurs in a very short period of the VCO frequency period, so that fractal spurious and phase noise are generated. It can be seen that it is negligibly small compared to the related art fractal N architecture.
しかし、本発明による好ましい実施形態は、上記のケースに制限されないし、またそのように制限することも意図していない。例えば、分周された信号の間の位相差と使用するチャージポンプの個数を変えることにより、本発明による基準信号のフラクタル補償を実施するその他の組み合わせが可能である。 However, the preferred embodiment according to the present invention is not limited to the above case and is not intended to be so limited. For example, other combinations for performing fractal compensation of the reference signal according to the present invention are possible by changing the phase difference between the divided signals and the number of charge pumps used.
本発明による位相ロックループを備える周波数シンセサイザの他の実施形態が図10に示されている。図10に示されているように、周波数シンセサイザ1000は、それぞれ第1および第2の位相検出器1010および1012に入力される基準周波数1002を受け取る。第1の位相検出器1010は、さらに、第1の分周されたVCO周波数1004を受け取り、第2の位相検出器1012は、さらに、第2の分周されたVCO周波数1008を受け取る。遅延1018では、第1の位相検出器1010の出力1014を受け取り、好ましくは、指定された遅延の後、同出力を出力する。第1のチャージポンプ1022は、遅延ブロック1018の出力1020を受け取り、第2のチャージポンプ1024は、第2の位相検出器1012の出力1016を直接受け取る。第1のチャージポンプ1022の出力1026および第2のチャージポンプ1024の出力1028は結合され、ループフィルタ328などのループフィルタへの入力1030として使用される。VCO330、モジュラスプログラマブル分周器336、およびアキュムレータ340は、ループフィルタ328および位相検出器回路1050に結合するのが好ましい。図10の好ましい実施形態では、第1および第2の位相検出器1010および1012のうちの一方の出力に遅延を入れることにより、ループフィルタの電圧1030内の摂動がさらに低減される。図10に示されているように、第1の位相検出器1010の出力1014を遅延させ、ループフィルタの電圧の摂動を低減するか、または最小限に抑える。しかし、本発明はそのように制限されることを意図していない。
Another embodiment of a frequency synthesizer comprising a phase locked loop according to the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 10, the
例えば、図10に示されているような遅延ブロック1018を第1の位相検出器1010の前に配置すると、上で説明したのと同じ効果が得られ、好ましい結果となる。図11に示されているように、周波数シンセサイザの位相検出器回路1100の他の好ましい実施形態では、基準周波数入力1002を受け取る第1の遅延ブロック1106および第1の分周されたVCO周波数1004を受け取る第2の遅延ブロック1108を備える。第1の位相検出器1010は、第1の遅延ブロック1106の出力1110および第2の遅延ブロック1108の出力1112を受け取って処理する。第2の位相検出器1012および第2のチャージポンプ1024は、上述のように動作する。しかし、第1のチャージポンプ1022は、第1の位相検出器1010から出力1114を直接受け取る。第1のチャージポンプ1022からの出力1126および第2のチャージポンプ1024からの出力1128は組み合わされ、ループフィルタ(図に示されていない)への入力1130として使用される。
For example, if a
図10〜11に示されている好ましい実施形態で発生するような遅延の動作および効果について説明することにする。図12に示されているように、第1の位相検出器の電圧出力は波形1202で表され、第1の位相検出器の遅延された出力は波形1204で表され、第2の位相検出器の出力は波形1206で表される。電圧制御信号は、波形1208により表され、図に示されている振幅は、セクション1212、1214、および1216ではわかりやすくするために誇張してある。さらに、フラクショナルアキュムレータの状態は、1210で示されている。
The operation and effect of the delay as occurs in the preferred embodiment shown in FIGS. As shown in FIG. 12, the voltage output of the first phase detector is represented by
図12に示されているように、PD1の「DOWN」信号およびPD2の「UP」信号がオーバーラップしている。したがって、充電電流および放電電流が同時にループフィルタに印加され、互いに補償しあい、ループフィルタの電圧の最大振幅変動を低減または最小限に抑える。遅延されたPD1信号1204およびPD2信号1206がオーバーラップする限り、図10〜11の好ましい実施形態のオペレーションはループフィルタの電圧を下げる効果を有する。しかし、本発明の好ましい実施形態はそのように制限されることを意図していない。例えば、遅延はPD2信号またはPD1とPD2の両方の信号において発生することがありえる。さらに、分周比による最適なまたは所定の遅延を、例えば、制御アキュムレータにより設定することができる。
As shown in FIG. 12, the “DOWN” signal of PD1 and the “UP” signal of PD2 overlap. Thus, the charge current and discharge current are simultaneously applied to the loop filter and compensate each other to reduce or minimize the maximum amplitude variation of the loop filter voltage. As long as the delayed
図13および14は、遅延制御回路例を示す図である。図13は、デジタル制御回路1300を示しており、直列に結合された遅延タップ1304、1312、1320、および1328は、入力端子1302と出力端子1340との間で結合されている。回路内に切り替えられる遅延タップ1304、1312、1320、および1328の個数により、入力信号INと出力信号OUTの間の所定の遅延が決まる。デジタル遅延制御回路1300は、入力端子1302の入力信号INとして遅延される信号を受け取る。例えば、遅延タップとしてインバータが考えられる。複数のスイッチ1332、1334、1336、1338は、それぞれ、遅延タップ1304、1312、1320、および1328の出力と出力端子1340の間に接続されている。スイッチ1332、1334、1336、および1338のオン/オフ状態は、制御信号1350によって決定されるのが好ましい。したがって、デジタル遅延制御回路1300の全遅延は、スイッチ1332、1334、1336、および1338の状態により制御される。
13 and 14 are diagrams showing examples of delay control circuits. FIG. 13 shows a digital control circuit 1300 where delay taps 1304, 1312, 1320, and 1328 coupled in series are coupled between an
図14は、制御電圧により各遅延セルの遅延と、さらにそれにより回路の全遅延が制御されるアナログ遅延制御回路例を示す。図14に示されているように、アナログ遅延制御回路1400は、第1の遅延セル1404に結合されている入力端子1402で入力信号INを受け取る。遅延セル1412、1416、および1422は、第1の遅延セル1404と出力端子1426との間に直列接続されている。遅延セル1404、1412、1416、および1422のそれぞれに制御電圧CONTROL1428が入り、この制御電圧により、各遅延セルで発生する遅延が制御され、したがって、制御電圧1428により、入力信号INと出力信号OUTの間の所定の累積的遅延が決まる。上述のように、多少の遅延タップまたは遅延セルで遅延回路例を構成できる。
FIG. 14 shows an example of an analog delay control circuit in which the delay of each delay cell and the total delay of the circuit are controlled by the control voltage. As shown in FIG. 14, the analog
上述のように、周波数シンセサイザの好ましい実施形態にはさまざまな利点がある。好ましい実施形態による位相ロックループ(PLL)を備える周波数シンセサイザは、フラクショナルスプリアス補償回路を組み込んで、チャージポンプが動作するときにチャージポンプのリップルを動的に補正する。好ましい実施形態では、プログラマブル分周器は、PLLの2つの位相検出器への入力に対し同じ分周比を使用する電圧制御発振器(VCO)からの分周信号であるのが好ましい2つの出力信号を出力する。したがって、分周されたVCO信号の位相差は、VCO出力の周期であることが好ましい。周波数シンセサイザのロック状態では、対応する基準信号の位相がこれらの分周器信号の間に発生する。好ましい実施形態では、2つの位相検出器(PD)が使用され、それぞれ入力端子が分周器の2つの分周VCO信号のうちの一方を受け取るように接続されている。それぞれの位相検出器の第2の入力端子は、基準信号を受け取るように接続される。したがって、ロック状態では、一方のPDが「UP」信号を出力し、他方が「DOWN」信号を出力する。 As mentioned above, the preferred embodiment of the frequency synthesizer has various advantages. A frequency synthesizer comprising a phase locked loop (PLL) according to a preferred embodiment incorporates a fractional spurious compensation circuit to dynamically correct for charge pump ripple as the charge pump operates. In a preferred embodiment, the programmable divider is two output signals that are preferably divided signals from a voltage controlled oscillator (VCO) that uses the same divider ratio for the inputs to the two phase detectors of the PLL. Is output. Therefore, the phase difference of the divided VCO signal is preferably the VCO output period. In the locked state of the frequency synthesizer, the phase of the corresponding reference signal is generated between these divider signals. In the preferred embodiment, two phase detectors (PD) are used, each with its input terminal connected to receive one of the two divided VCO signals of the divider. The second input terminal of each phase detector is connected to receive a reference signal. Therefore, in the locked state, one PD outputs an “UP” signal and the other outputs a “DOWN” signal.
チャージポンプブロックは、N個の等しいチャージポンプ段を備えることができ、それぞれの位相検出器出力端子に接続されている。それぞれのチャージポンプの出力端子は、ループフィルタ内で結合される。位相比較時に動作するチャージポンプの個数は、フラクショナルアキュムレータ段で決定される。ロック状態では、充電電流および放電電流の量は常に同じであり、互いに補償しあう。したがって、フラクショナルリップルは発生しない。そこで、本発明による好ましい実施形態では、補償電流トリミングの必要がないか、または少なくて済む。フラクショナル補償は動的であり、回路使用年数、プロセス、および温度などの環境変化の影響を受けにくい。したがって、周波数シンセサイザの好ましい実施形態は、プログラマブル分周器の分周された信号の位相差とアクティブ化されるチャージポンプの個数を変化させることにより実施することができる。 The charge pump block may comprise N equal charge pump stages and is connected to each phase detector output terminal. The output terminals of each charge pump are coupled in a loop filter. The number of charge pumps operating during phase comparison is determined by the fractional accumulator stage. In the locked state, the amount of charge current and discharge current is always the same and compensates for each other. Therefore, no fractional ripple occurs. Thus, the preferred embodiment according to the present invention eliminates or reduces the need for compensation current trimming. Fractional compensation is dynamic and is not susceptible to environmental changes such as circuit age, process, and temperature. Thus, the preferred embodiment of the frequency synthesizer can be implemented by changing the phase difference of the divided signal of the programmable divider and the number of activated charge pumps.
図15は、複数の位相検出器がそれぞれ1つのサンプルキャパシタに結合されているサンプル&ホールド回路1500の好ましい実施形態を示す図である。図15に示されているように、第1のチャージポンプ1506は第1の位相検出器PD1から入力を受け取り、第2のチャージポンプ1508は第2の位相検出器PD2から入力を受け取る。第1のチャージポンプ1506の出力1510および第2のチャージポンプ1508の出力1512は、第1のノードn1に結合されているサンプル&ホールド回路1536の入力1514に一緒に結合されている。サンプル&ホールド回路1536では、基準電圧Vref1516は第1のスイッチ1518を通じて第1のノードn1に結合されている。第1のキャパシタ1520であるサンプルキャパシタは、グラウンド基準電圧1522と第1のノードn1との間に結合される。第2のスイッチ1524は、第1のノードn1と出力端子に1534に結合されている第2のノードn2との間に結合される。第2のキャパシタ1530であるホールドキャパシタは、グラウンド基準電圧1522と第2のノードn2との間に結合される。サンプルキャパシタ1520およびホールドキャパシタ1530の容量は、通常のループフィルタキャパシタも容量よりもはるかに小さい。位相検出器PD1およびPD2で位相比較が実行される前に、第1のスイッチ1518が閉じられ、サンプルキャパシタ1520が基準電圧Vref1516まで充電される。それぞれ位相検出器PD1およびPD2の後のチャージポンプブロック1506および1508は、位相比較の結果の検出された位相差に応じて基準電圧Vref1516からサンプルキャパシタ1520の電圧を増減する。位相比較が完了すると、サンプルキャパシタ1520内の電荷が第2のスイッチ1524を介してホールドキャパシタに1530に移動されるのが好ましい。
FIG. 15 is a diagram illustrating a preferred embodiment of a sample and hold
図16は、本発明によるサンプル&ホールド型フラクショナルN周波数シンセサイザのフラクショナル補償法を示すタイミング図である。例えば、図16は、分周された基準周波数306とサンプル&ホールド回路でloを置き換える図3の周波数シンセサイザ300の分周されたVCO周波数310、312との位相関係を示すことができる。図16では、この分数は3/8(K=3、N=8)であると仮定している。フラクショナルアキュムレータの状態Kにより、位相比較時に動作するチャージポンプの個数が決まる。例えば、PD1の(N−K)個のチャージポンプとPD2のK個のチャージポンプが有効にされている。有効にされているチャージポンプの総数は、常にNである。図16では、分周された基準周波数1602の相対的電圧波形、Divider Output1 1604、Divider Output2 1606、PD1出力1608、PD2出力1610、および制御電圧1612が示されている。有効にされているチャージポンプ1616および1618の個数とフラクショナルアキュムレータの状態1614も、それらの波形に関して示されている。図16で、分周された基準信号1602の位相の進みは、PD1およびPD2に対応する有効にされているチャージポンプの個数を変えることで一様に補正されるため、PD1およびPD2からの基準電圧(Vsmaple)から制御電圧(Vhold)までの充電増大により一貫性のある値が得られる。
FIG. 16 is a timing diagram showing a fractional compensation method of the sample-and-hold type fractional N frequency synthesizer according to the present invention. For example, FIG. 16 may show the phase relationship between the divided
図7に関して上で説明したように、全部でN個のチャージポンプを実施し、アキュムレータによって制御されるスイッチでPD1およびPD2に接続されているチャージポンプの個数を決める。図16に示されているように、すべての位相比較でのチャージポンプからソースされる電荷の量は以下の式で与えられる。 As described above with respect to FIG. 7, a total of N charge pumps are implemented and the number of charge pumps connected to PD1 and PD2 is determined by a switch controlled by an accumulator. As shown in FIG. 16, the amount of charge sourced from the charge pump in all phase comparisons is given by:
QTOTAL=ICP1*TCP1+ICP2*TCP2
=[{(N−K)*(I/N)}*{T1−(K/N)*TVCO}]+[K*(I/N)*{(T1−(K/N)*TVCO)+TVCO}]
=I*T1=constant (式3)
Q TOTAL = I CP1 * T CP1 + I CP2 * T CP2
= [{(N−K) * (I / N)} * {T1− (K / N) * T VCO }] + [K * (I / N) * {(T 1 − (K / N) * T VCO ) + T VCO }]
= I * T 1 = constant (Formula 3)
したがって、制御電圧またはサンプルキャパシタの電圧変化は一定であり、ホールドキャパシタの電圧も一定に保たれる。そのため、合成された出力はよいスペクトル純度を示す。分周比が変化して異なる周波数が発生する場合、基準信号と分周された出力との位相差T1が変化し、これにより制御電圧が決まる。さらに、図16に示されているように、基準信号は分周された信号1604および1606よりも先へ進む。しかし、本発明はそのように制限されることを意図していない。基準信号の位相が分周された出力よりも遅れる場合、サンプルキャパシタの電圧を基準電圧Vrefから下げることができる。さらに、本発明による好ましい実施形態は、2つの分周器出力信号の位相差と各位相検出器内のチャージポンプの個数を変えることによりさまざまな形で実施することができる。
Therefore, the voltage change of the control voltage or the sample capacitor is constant, and the voltage of the hold capacitor is also kept constant. Therefore, the synthesized output shows good spectral purity. When the frequency division ratio changes and different frequencies are generated, the phase difference T 1 between the reference signal and the divided output changes, thereby determining the control voltage. Further, as shown in FIG. 16, the reference signal goes ahead of the divided
本発明による位相ロックループを備えるサンプル&ホールド型フラクショナルN周波数シンセサイザの他の実施形態が図17に示されている。図17に示されているように、周波数シンセサイザ1700は、それぞれ第1および第2の位相検出器1710および1712に入力される基準周波数1702を受け取る。第1の位相検出器1710は、さらに、第1の分周されたVCO周波数1704を受け取り、第2の位相検出器1712は、さらに、第2の分周されたVCO周波数1708を受け取る。ロック検出器1718および第1のチャージポンプブロック1722は、第1の位相検出器1710の出力1714を受け取る。ロック検出器1718および第2のチャージポンプ1724は、第2の位相検出器1712の出力1716を受け取る。第1のチャージポンプ1722の出力1726および第2のチャージポンプ1724の出力1728は一緒に結合され、サンプル&ホールド回路1536などのサンプル&ホールド回路1740の入力1730として使用される。VCO330、モジュラスプログラマブル分周器336、およびアキュムレータ340などは、サンプル&ホールド回路1740および位相検出器1710および1712に結合するのが好ましい。
Another embodiment of a sample and hold fractional N frequency synthesizer with a phase locked loop according to the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 17,
図17の好ましい実施形態では、デジタル−アナログコンバータ(DAC)1732は、ロック検出器1718から入力1720を受け取り、サンプル&ホールド回路1740に入る出力1734を発生する。出力1734は、サンプルキャパシタを初期化するために使用される基準電圧Vrefであるのが好ましい。
In the preferred embodiment of FIG. 17, a digital to analog converter (DAC) 1732 receives
サンプル&ホールド型PLLでは、最初に設定された基準電圧がロック制御電圧から隔たりすぎると、ループは目的の周波数を発生することができない。本発明による周波数シンセサイザ1700は、ロック検出器を備え、最初に設定された基準電圧がロック制御電圧から隔たり過ぎていたとしても、目的の周波数を発生する。図17に示されているように、検出器回路1750は、ロック検出器1718およびDAC1732を備えることができる。ロック検出器1718は、それぞれ、各位相検出器1710および1712の出力を監視するのが好ましい。例えば、PD1とPD2の両方の出力が増加電圧信号の場合(例えば、「UP」信号)、基準信号1702が分周された信号1704および1708よりも先に進む。この場合、DAC1732により、基準電圧1734(例えば、Vref)が高くなり、基準電圧と目的の電圧との間の電圧差が最小になる。PD1とPD2の両方の出力が減少電圧信号の場合(例えば、「DOWN」信号)、基準信号1702が分周された信号1704および1708よりも遅れる。この場合、DAC1732により、基準電圧1734は低くなる。一方の位相検出器が増大信号を発生し、他方の位相検出器が減少信号を発生した場合(例えば、PD1がDOWN信号を発生し、PD2がUP信号を発生する場合)、基準電圧1734は目的の制御電圧に非常に近い値となる。しかし、本発明はそのように制限されることを意図していない。
In the sample-and-hold type PLL, if the initially set reference voltage is too far from the lock control voltage, the loop cannot generate the target frequency. The
図18は、本発明の他の実施形態による基準電圧を設定するシステムを示している。図18に示されているように、検出器回路1850の他の好ましい実施形態は、アナログ−デジタル回路(ADC)1820およびデジタル−アナログ回路(DAC)1830を備える。第1の位相検出器1710、第2の位相検出器1712、第1のチャージポンプ1722、第2のチャージポンプ1724、およびサンプル&ホールド回路1740については上で説明している。そこで、ここでは説明を省略する。サンプル&ホールド回路1740の出力1810は、VCO(図に示されていない)とアナログ−デジタルコンバータ1820に送られる。アナログ−デジタルコンバータ1820の出力1822がデジタル−アナログコンバータ1830に入る。ADC1820は、所定の電圧との比較のため制御電圧を決定し、好ましくは、DAC1830を通じて基準電圧1840(例えば、Vref)を設定する。しかし、本発明はそのように制限されることを意図していない。例えば、検出器回路1850は、検出器回路1750で置き換えることもでき、サンプル&ホールド回路1740から出力電圧1810を受け取るロック検出器1718を使用して所定の制御電圧と比較できるようになるまでDAC1732出力を制御する。
FIG. 18 shows a system for setting a reference voltage according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 18, another preferred embodiment of
図19は、サンプル&ホールド回路内の基準電圧が目的の制御電圧と一致したときにサンプル&ホールド型フラクショナルN周波数シンセサイザのフラクショナル補償法を示すタイミング図である。例えば、図19は、分周された基準周波数306と図3の周波数シンセサイザ300の分周されたVCO周波数310、312との位相関係を示すことができる。図19では、上述のようにこの分数は3/8(K=3、N=8)であると仮定されている。相対的電圧波形は分周された基準周波数1902であり、Divider Output1 1904、Divider Output2 1906、PD1出力1908、PD2出力1910、および制御電圧1918が示されている。有効にされているチャージポンプ1912および1916の個数とフラクショナルアキュムレータの状態1614も、それらの波形に関して示されている。
FIG. 19 is a timing diagram showing a fractional compensation method of the sample-and-hold type fractional N frequency synthesizer when the reference voltage in the sample-and-hold circuit matches the target control voltage. For example, FIG. 19 may show the phase relationship between the divided
図19に示されているように、基準信号は分周された信号の間にある。したがって、PD1に結合されているチャージポンプ(CP1)は常にサンプル&ホールド回路から電流をシンクし、PD2に結合されているチャージポンプ(CP2)は常に周波数シンセサイザのサンプル&ホールドに電流をソースする。充電および放電の量は、式3を通じて正確に一致し、制御電圧は一定に保たれる。式3によれば、CP1による放電電流の量は、以下の式で与えられ、
As shown in FIG. 19, the reference signal is between the divided signals. Thus, the charge pump (CP1) coupled to PD1 always sinks current from the sample and hold circuit, and the charge pump (CP2) coupled to PD2 always sources current to the sample and hold of the frequency synthesizer. The amount of charge and discharge is exactly matched through
Qdischarge=Idischarge*Tdischarge={(N−K)*(I/N)}*{(K/N)*TVCO} (式1) Q discharge = I discharge * T discharge = {(N−K) * (I / N)} * {(K / N) * T VCO } (Formula 1)
Kはアキュムレータの状態を表す。式1と同様に、CP2による充電電流量は以下の式で与えられる。
K represents the state of the accumulator. Similar to
Qcharge=Icharge*Tcharge={K*(I/N)}*[{(N−K)/N}*TVCO] (式2) Q charge = I charge * T charge = {K * (I / N)} * [{(N−K) / N} * T VCO ] (Formula 2)
(式1)と(式2)から、QchargeとQdischargeは常に同じである。 From (Equation 1) and (Equation 2), Q charge and Q discharge are always the same.
上述のように、本発明による周波数シンセサイザの好ましい実施形態にはさまざまな利点がある。位相ロックループ(PLL)周波数シンセサイザの好ましい実施形態では、フラクショナルN型周波数シンセサイザ内にサンプル&ホールド回路を組み込む。好ましい実施形態では、サンプル&ホールド回路でフラクショナルN型周波数シンセサイザ内の関連技術のループフィルタキャパシタを置き換えるため、回路サイズが縮小し、必要電力も低減される。好ましい実施形態による位相ロックループ(PLL)を備える周波数シンセサイザは、さらにフラクショナルスプリアス補償回路を組み込んで、チャージポンプが動作するときにチャージポンプのリップルを動的に補正する。好ましい実施形態では、プログラマブル分周器は、位相差がVCO出力の周期である電圧制御発振器(VCO)からの好ましくは分周された信号である2つの出力信号を発生する。周波数シンセサイザのロック状態では、対応する基準信号の位相がこれら2つの分周器信号の間に発生する。好ましい実施形態では、2つの位相検出器(PD)が使用され、それぞれ、基準信号および2つの分周されたVCO信号のうちの一方を受け取り、一方の位相検出器で電圧増大信号を出力し、他方の位相検出器ではロック状態で電圧減少信号を出力することができる。 As mentioned above, the preferred embodiment of the frequency synthesizer according to the present invention has various advantages. A preferred embodiment of a phase locked loop (PLL) frequency synthesizer incorporates a sample and hold circuit within the fractional N-type frequency synthesizer. In the preferred embodiment, the sample and hold circuit replaces the related art loop filter capacitor in the fractional-N frequency synthesizer, thereby reducing circuit size and power requirements. A frequency synthesizer comprising a phase locked loop (PLL) according to a preferred embodiment further incorporates a fractional spurious compensation circuit to dynamically compensate for charge pump ripple as the charge pump operates. In a preferred embodiment, the programmable divider generates two output signals that are preferably divided signals from a voltage controlled oscillator (VCO) whose phase difference is the period of the VCO output. In the locked state of the frequency synthesizer, the corresponding reference signal phase is generated between these two divider signals. In a preferred embodiment, two phase detectors (PD) are used, each receiving one of a reference signal and two divided VCO signals, and outputting a voltage increase signal at one phase detector, The other phase detector can output a voltage decrease signal in the locked state.
チャージポンプブロックは、N個の等しいチャージポンプ段を備え、一方または両方の位相検出器出力端子に結合することができ、また各チャージポンプの出力はサンプル&ホールド回路内で結合される。ロック状態では、充電電流および放電電流の量は実質的に互いに補償しあう。したがって、フラクショナルリップルは発生しない。そのため、フラクショナル補償は動的であり、本発明による好ましい実施形態での回路使用年数、プロセス、および温度などの環境変化の影響を受けにくい。周波数シンセサイザの好ましい実施形態は、サンプル&ホールド回路を備える複数の位相検出器を使用して一様で安定なVCO制御電圧を供給することにより実施することができる。 The charge pump block comprises N equal charge pump stages and can be coupled to one or both phase detector output terminals, and the output of each charge pump is coupled in a sample and hold circuit. In the locked state, the amount of charge current and discharge current substantially compensate each other. Therefore, no fractional ripple occurs. As such, fractional compensation is dynamic and less susceptible to environmental changes such as circuit age, process, and temperature in preferred embodiments according to the present invention. A preferred embodiment of the frequency synthesizer can be implemented by providing a uniform and stable VCO control voltage using a plurality of phase detectors with sample and hold circuits.
前述の実施形態および利点は、単に例として取りあげたのであり、本発明を制限するものと解釈すべきではない。本発明の教示は、他の種類の装置にも容易に応用できる。本発明の説明は、理解を目的としており、請求項の範囲を制限することを目的としていない。多くの代替、修正、およびバリエーションがあるが、当業者であれば明らかであろう。請求項では、手段と機能の条項は、本明細書で記載されている機能を実行するものとして説明している構造および構造上の均等だけでなく、均等な構造も対象とすることを意図している。 The foregoing embodiments and advantages are merely exemplary and should not be construed as limiting the invention. The teachings of the present invention can be readily applied to other types of devices. The description of the present invention is for purposes of understanding and is not intended to limit the scope of the claims. Many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art. In the claims, means and functions clauses are intended to cover not only the structural and structural equivalents described as performing the functions described herein, but also equivalent structures. ing.
Claims (19)
入力信号および第1の分周された信号を受け取り第1の比較信号を出力する第1の位相検出器と、
前記入力信号および第2の分周された信号を受け取り第2の比較信号を出力する第2の位相検出器と、
前記第1および第2の比較信号を受け取り、前記比較信号に応答する出力信号を発生する回路と、
前記回路から前記出力信号を受け取り、所定の周波数信号を発生する電圧制御発振器と、
前記所定の周波数信号を受け取り、所定の位相関係を持つ前記第1および第2の分周された信号を発生するプログラマブルモジュラス分周器とを備え、前記第1および第2の位相検出器はそれぞれ、
第1の出力ポートを有する位相検出器部分と、
前記位相検出器部分に結合されたN個(Nは2以上の整数)のチャージポンプを有するチャージポンプ部分と
を備え、
前記第1および第2の位相検出器における位相比較時に有効にされるチャージポンプの個数はそれぞれ、前記プログラマブルモジュラス分周器に結合されたアキュムレータの状態により決定されることを特徴とする位相ロックループ。A phase-locked loop,
A first phase detector that receives an input signal and a first divided signal and outputs a first comparison signal;
A second phase detector that receives the input signal and a second divided signal and outputs a second comparison signal;
A circuit for receiving the first and second comparison signals and generating an output signal responsive to the comparison signals;
A voltage controlled oscillator that receives the output signal from the circuit and generates a predetermined frequency signal;
Receiving said predetermined frequency signal, e Bei a programmable modulus divider for generating said first and second divided signal having a predetermined phase relationship, said first and second phase detector Respectively,
A phase detector portion having a first output port;
A charge pump portion having N (N is an integer greater than or equal to 2) charge pumps coupled to the phase detector portion;
With
The number of charge pumps enabled during phase comparison in each of the first and second phase detectors is determined by the state of an accumulator coupled to the programmable modulus divider. .
前記第1および第2の位相検出器の備える前記チャージポンプ部分は同一であり、
さらに制御線によって操作される複数の並列スイッチを備え、前記並列スイッチのそれぞれが、その位置に応じて、前記N個のチャージポンプの対応する1つを前記第1および第2の比較信号のうちの選択された信号に結合することを特徴とする請求項1に記載の位相ロックループ。 The sum of the number of charge pumps enabled is N;
The charge pump portions of the first and second phase detectors are identical;
Further comprising a plurality of parallel switches operated by a control line, each of said parallel switch, depending on the position of its, the the N of the charge pump corresponding one of said first and second comparison signals The phase-locked loop of claim 1, wherein the phase-locked loop is coupled to a selected signal.
前記第1および第2の位相検出器が有するN個のチャージポンプのそれぞれは、
第1の所定の電圧とチャージポンプ出力端子との間に直列に結合された第1の電流源および第1のスイッチと、
第2の所定の電圧と前記チャージポンプ出力端子との間に直列に結合された第2の電流源および第2のスイッチと、
第1の入力端子が前記第1の出力ポートに結合され、第2の入力端子が前記アキュムレータからの前記有効にされるチャージポンプの個数を制御するための制御信号を受け取り、出力端子が前記第1のスイッチに結合されている第1のロジックゲートと、
第1の入力端子が前記第2の出力ポートに結合され、第2の入力端子が前記アキュムレータからの前記有効にされるチャージポンプの個数を制御するための制御信号を受け取り、出力端子が前記第2のスイッチに結合されている第2のロジックゲートと
を備えることを特徴とする請求項1に記載の位相ロックループ。 Each of the phase detector portions of the first and second phase detectors further comprises a second output port;
Each of the N charge pumps of the first and second phase detectors is:
A first current source and a first switch coupled in series between a first predetermined voltage and a charge pump output terminal;
A second current source and a second switch coupled in series between a second predetermined voltage and the charge pump output terminal;
A first input terminal is coupled to said first output port, receives a control signal for the second input terminal to control the number of charge pumps to the valid from the accumulator, the output terminal is the first A first logic gate coupled to one switch;
A first input terminal is coupled to the second output port, a second input terminal receives a control signal for controlling the number of enabled charge pumps from the accumulator , and an output terminal is the first output terminal . The phase-locked loop of claim 1 , comprising a second logic gate coupled to the two switches.
第1のロジックゲートと、
モジュラス制御信号を受け取る第2のロジックゲートと、
前記第1のロジックゲートの出力信号と前記電圧制御発振器の出力ポートからの所定の周波数信号を受け取るように結合されている第1のフリップフロップと、
前記第1のフリップフロップの出力信号を受け取るように結合されている第2のフリップフロップであって、前記第1および第2のロジックゲートが前記第2のフリップフロップの出力信号を受け取ることを特徴とする第2のフリップフロップと、
前記第2のロジックゲートから出力信号を受け取るように結合されている第3のフリップフロップであって、前記第1、第2、および第3のフリップフロップがクロック信号として所定の周波数信号を受け取り、前記第3のフリップフロップの出力信号が前記第1のロジックゲートに入り、前記第1および第2のフリップフロップの前記出力信号がそれぞれ前記第1および第2の分周された信号であることを特徴とする第3のフリップフロップとを備える請求項1に記載の位相ロックループ。The programmable modulus divider is
A first logic gate;
A second logic gate for receiving a modulus control signal;
A first flip-flop coupled to receive an output signal of the first logic gate and a predetermined frequency signal from an output port of the voltage controlled oscillator;
A second flip-flop coupled to receive the output signal of the first flip-flop, wherein the first and second logic gates receive the output signal of the second flip-flop. A second flip-flop,
A third flip-flop coupled to receive an output signal from the second logic gate, wherein the first, second, and third flip-flops receive a predetermined frequency signal as a clock signal; The output signal of the third flip-flop enters the first logic gate, and the output signals of the first and second flip-flops are the first and second divided signals, respectively. The phase-locked loop according to claim 1, further comprising a third flip-flop that is characterized.
第1の所定の基準電圧、第1のスイッチ、第1のキャパシタ、および第2の所定の基準電圧が直列に結合されており、
前記第1のスイッチと前記第1のキャパシタは、第1のノードを形成するように結合し、
前記第1のノードは、第1および第2の比較信号を受け取るように結合されており、
前記第2の基準電圧と第2のノードとの間に結合されている第2のキャパシタと、前記第1のノードと前記第2のノードとの間に結合されている第2のスイッチとを備える
ことを特徴とする請求項1に記載の位相ロックループ。The circuit is a sample and hold circuit,
First predetermined reference voltage, the first switch, and a first capacitor, and a second predetermined reference voltage is coupled in series,
The first switch and the first capacitor are coupled to form a first node;
The first node is coupled to receive first and second comparison signals ;
A second capacitor Ru Tei coupled between said second reference voltage and the second node, and a second switch coupled between said first node and said second node The phase locked loop according to claim 1, further comprising:
前記第1および第2の位相検出器から前記第1および第2の比較信号を受け取るロック検出器と、
前記ロック検出器からの制御信号に応答する前記第1の所定の基準電圧の電圧レベルを調整するデジタル−アナログコンバータとを備えることを特徴とする請求項15に記載の位相ロックループ。The detection circuit includes:
A lock detector that receives the first and second comparison signals from the first and second phase detectors;
The phase-locked loop of claim 15, comprising a digital-to-analog converter that adjusts a voltage level of the first predetermined reference voltage responsive to a control signal from the lock detector.
前記サンプル&ホールド回路の前記出力を受け取るアナログ−デジタルコンバータと、
前記アナログ−デジタルコンバータからの制御信号に応答する前記第1の所定の基準電圧の電圧レベルを調整するデジタル−アナログコンバータとを備えることを特徴とする請求項15に記載の位相ロックループ。The detection circuit includes:
An analog-to-digital converter that receives the output of the sample and hold circuit;
16. The phase-locked loop of claim 15, further comprising a digital-to-analog converter that adjusts a voltage level of the first predetermined reference voltage responsive to a control signal from the analog-to-digital converter.
前記サンプル&ホールド回路から前記出力信号を受け取るロック検出器と、
前記ロック検出器からの制御信号に応答する前記第1の所定の基準電圧の電圧レベルを調整するデジタル−アナログコンバータとを備えることを特徴とする請求項15に記載の位相ロックループ。The detection circuit includes:
A lock detector for receiving the output signal from the sample and hold circuit;
The phase-locked loop of claim 15, comprising a digital-to-analog converter that adjusts a voltage level of the first predetermined reference voltage responsive to a control signal from the lock detector.
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